深部综放沿空巷道断面优化.pdf

煤炭工程 2 0 0 9年第 7期 深部综放沿空巷道 断面优 化 陈夫科 ，沈荣喜 ，刘建庄 1 ． 福兴集团有限公司，山东 枣庄2 7 7 3 0 0 ；2 ．中国矿业大学，江苏 徐州2 2 1 1 1 6 3 ．河北理工大学 ，河北 唐山3 0 0 9 摘 要 深部开采会发生综放沿空巷道变形大、难支护等问题。目前常采用的矩形断面易产 生应力集中，而直墙半 圆拱形断面优点突出。通过模拟矩形、直墙半 圆拱形断面在浅部和深部情 况下的应力应变差别，得 出结论两种断面在 浅部条件下差别不大，但对于深部综放沿空巷道而 言 ，宜采 用直墙拱 形 断面。 关键词 深部 开采 ；综放 沿空巷道 断面优化 中图分类号 T D 2 6 3 ． 1 文献标识码B 文章编号 1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 0 9 0 7 - O 0 8 3 由于深部岩体所处的地球物理环境及其应力场的复杂 性 ，使深部岩体的力学性质 与浅部 岩体 的力 学性质 表现 出 很大的差异 ，在浅部开采基础上发展起来 的传 统支护理论 、 支护 参数 已难 以适应 深部 巷道 支护 设计 和实 践 的需要 0 。 特别是综放沿 空巷道 ，作为 一类特殊 的 回采 巷道 ，由于要 留设顶煤 、沿煤层底板和相邻采空区布置、断面大、经历 采掘影响等特点，给巷道掘进和维护带来很大的难度 ，也 给安全带 来很大的考验 深部综放沿空 巷道是否 易于保持 稳定状 态 ，这 与多 种 凶素有关 ，例 如 巷道同岩性 质 、地应 力大 小 、支护方 式 与参数 、巷道 断而形状 等 。其 中 ，巷道围岩性 质和地 应 力大小这两个 因素是客观 条件决定 的 ，人们无 法轻易 改变 围岩的性质和地应 力的大小 。但是 可 以对 支护方式 、支 护 参数 、巷道断面这些易 于调控 的对象进 行调整 ，从而 达到 改善顶板稳定状况的 目的。本 文主要 从巷道 断面优化方 面 考虑深部综放沿空巷道围岩的控制技术。 1 综放 沿空巷道 断面 的优化 由于施工简单 ，易于成 型等优 点 ，矩 形 和梯形 断面形 状是 目前国 内综放沿 空煤巷 的主要 断面形状 。但根 据弹性 力学 、岩石力学知道 。 ，这两种 巷道 都容 易在拐 角处产 生应力集中现象，不利于巷道嗣岩的稳定。从理论上讲， 最佳的巷道断面形状 是椭 圆，并且 椭 圆的长短轴之 比应 与 巷道沿长短轴方向的地应力之 比相等，这样就会使椭圆巷 道处于等压状 态 ，利 于巷道 围岩 的稳定。但 由于椭 圆断 面 巷道施 工困难 、断 面利用率低 等缺 点 ，在 实际生 产 中较 少 使用这种断 面。直墙 半 圆拱 形受力 虽然不如 椭 圆理 想 ，但 由于其具有易于巷道顶板稳定、易于施工等优点，目前已 经成为岩石巷道的主要形式 。由于半 圆拱 形巷道相对矩形 、 8 梯形巷道施工复杂，不易成型等缺点，在煤巷中却很少应 用。把矩形断面和直墙半 圆拱形 断 面进 行对 比 ，就会 发现 后者更利于巷道顶 板 的维 护。下面将 通过 U D E C软 件模拟 这两种断面对浅部、深部巷道围岩，特别是对深部综放沿 空巷道顶部煤岩体稳定性 的影响 。 1 ． 1 计 算模型和 方案 模拟条件以南屯矿 9 3 0 2工作面上顺槽地质情况为背 景 ，9 3 0 2工作面上顺槽为综放沿空巷道，煤层厚度平均为 5 ． 2 m 。为 了比较深埋与浅埋 两种情况下 巷道断面对 围岩 应力应变 的影响 ，模拟埋深按 3 o 0 m、6 0 0 m两种情况计算。 模拟巷道断面为矩形和直墙半圆拱形 ，主要参数① 矩形断面为 4 ． 0 m 宽3 ． 0 m 高 ；②直墙半圆拱形断面 宽4 ． 0 m、高 3 ． 0 m，其中墙高 1 ． 0 m。 根 据 模 拟 结 果 ，对 比矩 形 、半 圆 拱 形 巷 道 在 埋 深 3 0 0 m、6 0 0 m情况下的应力应变分布特征，可以找到适合于 深部综放沿空巷道围岩控制的巷道断面形状。 1 ． 2 深部、浅部不 同断面巷道 围岩应力 变化的 比较 图 1 、图 2分别 为埋 深 3 0 0 m、6 o o m条 件下 的矩形 巷 道 、直墙半 圆拱巷道在掘进稳定期间的垂直应力等值线图。 a 矩 形巷道 b 半到拱形巷道 图1 埋深3 0 0 m巷道围岩垂直应力等值线图 MP a 由图 1可看 出 ，在埋深 3 0 0 m的情况下 ，矩形断 面巷 道 收稿 日期 2 0 0 9 0 4 0 1 作者简介陈夫科 1 9 7 5一 ，男，山东枣庄人，工程师，1 9 9 9年毕业于中国矿业大学，现于福兴集团有限公司新井任 总工程 师。 2 0 0 9年第7期 煤炭 工程 在 4个拐角处产生了应力集中，垂直应力最大值为9 M P a ； 直墙半 圆拱形断 面在底 板 2个 拐角处 产生 了应 力集 中 ，产 生的应力集中程度与矩形巷道基本相同，但在拱顶的两侧 半 圆拱与直墙 的交 界处 产生 的应力集 中现象 与矩形巷 道 相 比要小得多 ，并且 直墙半 圆拱形 巷道 顶部 的应力 变化 相 对较平 缓，直墙 半圆拱形 断面顶部 垂直应力 最大 值为 8 MP a 。在埋深为 3 0 0 m 时 ，矩形 与直 墙半 圆拱 形巷 道 的垂 直应力相差仅为 1 MP a ，差 别不 明显。 a 矩形 巷道 b 半圆拱形 巷道 图 2 埋深6 0 0 m巷道围岩垂直应力等值线图 MP a 由图2可以看出，当埋深为 6 0 0 m时，与埋深为 3 0 0 m 相 比，矩形 、半圆拱形 巷道 嗣岩 的垂直应 力分 布特 征基 本 不变 ，但 是两种断面巷道围岩的垂直应力最 大值差异 增大 ， 最大垂直应力相差 2 MP a 。预计随着 深度 的继续 增加 ，矩形 断面与半圆拱形断面的垂直应力差别将随之增大。 比较 以上 两图可 知 ，当埋 深较小 时 ，矩形 断 面与 直墙 半圆拱形断面的垂直应力差别不大，随着埋深的增大，垂 直应力的差值将不断变大。因此，与矩形断面相比，直墙 半 圆拱形 巷道 应力 分布平 缓均 匀 、应力 集 中程 度小 ，而且 直墙半 圆拱形巷道 的这一 优点会 随着埋 深 的不断 增大 而愈 发突 出。 1 ． 3 深部 、浅部不 同断面巷 道 围岩位 移 变化 的比较 图 3 、图 4分别为 埋深 3 0 0 m、6 0 0 m 条件下 矩形 巷道 、 直墙半圆拱巷道在掘进稳定期间的垂直位移等值线图。 a 矩形巷道 b 半圆拱形巷道 图3埋深 3 0 0 m巷道围岩 垂直位移等值线图 mm 从 图 3可 以看 出，当埋深为 3 0 0 m 时，矩形巷道 顶部煤 岩体垂直位移最大值为 3 5 ml l l ；直墙半圆拱形巷道顶部煤岩 体垂直位移最大值为 3 0 ram，比矩形巷道少了约 1 4 ％。 从图4可以看出，当埋深为6 0 0 m时，矩形巷道顶部煤 岩体垂直位移量最大为 5 0 ra m，而此时半圆拱形巷道最大仅 为 4 0 ra m，比矩形 少 了 2 0 ％ 。由此 可看 出 ，随着 埋 深 的增 大，直墙半圆拱巷道在控制巷道顶部的煤岩体变形方面比 矩形巷道效果好 。 a 矩形巷道 b 半圆拱 形巷道 图 4 埋 深 6 0 0 m巷道围岩 垂直位移等值线图 m m 根据应 力场 和位移场分 析可 知 ，与矩形 巷道相 比而 言 ， 尽管直墙半圆拱形断面施工较复杂 ，但是其不仅有利于缓 解沿空巷道 围岩 的应力 集 中程 度 ，而 且能够 有效地 减 少巷 道顶部煤岩体的位移，减小巷道围岩的变形；特别是随着 埋深的不断增加，直墙半圆拱形断面这一优点将愈加突出。 此，在埋深较大的巷道断面的选取上，应该选用直墙半 圆拱形断面 。 2现 场 应用 实验地点为兖州煤业集团公司南屯煤矿9 3 0 2综放工作 面上顺槽 。巷道工程地质条件 为 巷道埋 藏深度 7 2 0 m，水 平地应力为 1 4 ． 6 MP a ，集 中应力 2 9 ． 2 MP a ，煤层厚度平均 为 5 ． 2 m。9 3 0 2上顺槽采用半 圆拱形断 面锚 网 锚索联合 支 护方式 。采用 综掘机掘进 ，通过常规 矿压观测 ，得 到掘进 、 回采期 间的巷 道矿 压显现规律。 掘进期 间 9 3 0 2上顺槽 的两 帮移近量 和顶 底移近 量一般 为 5 0～ 6 0 ra m；当掘进 面处 于 6 0 m距离 以外时 ，巷道 围岩基 本进入稳定状 态。 从 回采影 响期 问看 ，巷道两 帮移 近速度 略大 于顶底 移 近速度 ，最大移近速 度发生 在距工 作面 l O m 范 围内 ，两 帮 移近量和顶底移近量分 别为 1 2 0 mn d和 1 0 5 mr n ／ d ；回采 期 间 ，累计两帮 移 近量 最 大 为 8 9 0 ra m，顶 底 移 近 量 最 大 达 78 0mm 9 3 0 2上顺槽矿压观测表明，锚网索耦合支护方式以及 相应的支护参数设计是合理的，并且成功控制了埋深较大 的9 3 0 2综放沿空巷道围岩的变形 ，保证了工作面回采的高 产高效 3结语 本文主要从巷道断 面 的优化角 度讨 论 了综 放沿 空巷道 的控制 技术 ，并在南屯矿 9 3 0 2上顺槽进 行 了现场应用 ，主 要结论 如下 1 矩 形巷道断面容易在顶底拐角处产生 应力集 中，而 且 集中程度大 ，不利 于巷 道 的稳 定 ，矩 形巷道 断面这 一缺 点 随着埋深增大而愈加突出 。 2 与矩形巷道相 比，尽管半圆拱形巷道存在施工较复 杂、成型较难等缺点，但直墙半圆拱形巷道仅在底板拐角 处 产 生 应 力集 中 ， 且 集 中 程度 远 小 于 矩 形 巷 道 ； 此 外 ， 直 9 煤炭 工程 2 0 0 9年第 7期 关于矿井摩擦式提升机滑动极 限 减速度公式的讨论 曾 涛 中煤 国际工程集团 北京华宇工程有 限公 司，北京1 0 0 1 2 0 摘要 目前 国内常用的矿井摩擦式提升机 防滑安全校验公式，未计及落地式摩擦式提升机 主绳轮上、下出绳段铜丝绳质量对主绳轮 出绳实际张力的影响作用 ，因而其正确应用范围有局限 性。论 文通过对落地式摩擦式提升机主绳轮受力分析，寻求得到较为通用和准确的计算摩擦式提 升机 滑 动极 限减 速度计 算公 式。 关键词落地式摩擦式提升机 ；出绳段钢丝绳质量 ；滑动极限减速度 中图分类号 T D 5 3 4 ． 3 文献标识码 B 文章编号 1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 0 9 0 7 - 0 0 1 0 - 0 3 0 引 言 依照国家标准 煤炭工业矿井设计规范 和行业标准 煤矿安全规程、 煤矿地面多绳摩擦式提升系统设计规 范中已有的明确规定，矿井摩擦式提升机防滑安全校验 应满足的要求 是 在各种荷 载和运行 状态 下 ，产生紧急 制 动时主摩擦轮两侧 张力 比值不大 于钢丝绳 滑动极 限。取 决 于主绳轮的旋转方 向 ，摩擦式 提升机 防滑安全 校验应分 别 满足式 1 、 2 的要求 ≥ ≤ 1 ， X F ≤ e u ,c , 2 『 1 ＼ ， ， S 式中F 、F 落地式摩擦式提升机主摩擦轮上出绳侧、 下出绳侧的张力，或井塔式摩擦式提升 机 主摩擦轮 不带导 向轮 出绳侧 、带 导 向 轮出绳侧 的张力 ，N； e 自然对数的底 ； 提升钢丝绳与主绳轮衬垫之间的摩擦系数； a 提升钢丝绳在 主绳轮 上的国抱角 ，t a d 。 以式 1 、式 2 为基础 ，并 在忽略井 简提升阻力及天 轮、导向轮轴承阻力的条件下，可以导出在各种载荷、各 种提升状态下施加紧急制动时均不得超过的所谓滑动极限 减速度。在 煤矿安全规程1 9 9 2年版执行说明、 煤矿 地面多绳摩擦式提升系统设计规范 中先后给出了相同的 滑动极限减速度计算公式和应用方法。十余年来，我国许 多煤矿设计单位广为采用了这些计算公式和方法。当采用 井塔式摩擦式提升机时，应用上述滑动极限减速度计算公 式和方法得 出的计算结果基本上是准确的。 当采用落地 式摩擦式 提升机 时 ，利用上述 公式 的计算 结果会有偏差，其原因在于推导上述公式时未考虑落地 式摩擦 式提 升机 主绳轮 上 、下 出绳段 钢丝绳 部分质 量对主 绳轮 出绳 静 张力 的减 弱作 用 ， 亦 未计 及 上 、 下 出绳 段钢 丝 矿 铲矿岛厣 掣府 e 电 序 、 蝇庐 墙半圆拱形巷道能有效 降低深部综 放沿空 巷道顶部 煤岩体 的变形，利于巷道围岩的稳定。为此，对于维护深部综放 沿空巷道顶板的稳定来说，直墙半圆拱形断面应为首选。 3 相比较炮掘而言，综合机械化掘进工艺对巷道围岩 的破坏损伤程度较小，并且易于保证巷道的拱形断面成型， 有利于深部综放沿空巷道围岩的稳 定。 参考文献 [ 1 ] 何 满潮 ，谢 和平 ，彭苏 萍 ，等．深 部 开采 岩体 力 学研 究 [ J ] ．岩石力学 与工程学报 ，2 0 0 5，2 4 1 6 2 8 0 5～ 2 8 1 1 ． 1 0 [ 2 ] 钱鸣高．2 O年来采场围岩控制理论和实践 的回顾 [ J ]．中 国矿业大学学报，2 0 0 0，1 9 1 1 4 ． [ 3 ] 徐志纶．弹性力 学 [ M] ．北京 高等教育出版社 ，1 9 9 0 ． [ 4 ] 蔡美峰，等．岩石力学与工程 [ M] ．北京科学出版社， 2 o o 2． 【 5 ] 沈荣喜 ，刘长友．锚 网索联合支护在深井综放沿空巷道 中的 应用 [ J ] ．煤炭科学技术 ，2 0 0 4，3 2 1 0 46 ． 责任编辑马光辉 收稿 日期 2 0 0 90 51 2 作者简介曾涛 1 9 4 1 一 ，男，福建同安人 ，高级工程师，1 9 6 4年毕业于北京矿业学院机电系，曾在煤炭工业合肥 设计研究院和北京设计研究 院从事技术工作 ，现为 国际 电工委员会 I E C ／ T C 6 4 中国归 口委员会及 全国建筑 物 电气装置标准化技术委员会专家组成员。